第七章 酶、细胞和原生质体的固定化,酶应用过程中的一些不足,酶的稳定性较差 催化效率不够高 酶的一次性使用 产物的分离纯化较困难,固定化技术,7.1 什么是固定化酶？,水溶性酶,水不溶性载体,水不溶性酶 （固定化酶）,固定化技术,采用各种方法，将酶固定在水不溶性载体上，制备成固定化酶的过程称为酶的固定化。 固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶称为固定化酶。,酶的固定化技术和固定化酶,固定化酶：经提取和分离纯化后的酶,固定化菌体(死细胞)：含酶菌体或菌体碎片,固定化细胞：在一定的空间范围内进行生命活动的细胞,优点： 不溶于水，易于与产物分离； 可反复使用； 可连续化生产； 稳定性好。 缺点： 固定化过程中往往会引起酶的失活,固定化酶的研究从50年代开始，1953年德国的 Grubhofer和Schleith采用聚氨基苯乙烯树脂为载体与羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等结合，制成固定化酶。 60年代后期，固定化技术迅速发展起来。1969年，日本的千烟一郎首次在工业上生产应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸连续生产L-氨基酸，实现了酶应用史上的一大变革。 在1971年召开的第一次国际酶工程学术会议上，确定固定化酶的统一英文名称为Immobilized enzyme。,7.2 固定化酶的研究历史,随着固定化技术的发展，出现固定化菌体 。1973年，日本首次在工业上应用固定化大肠杆菌菌体中的天门冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产L-天门冬氨酸。 在固定化酶和固定化菌体的基础上，70年代后期出现了固定化细胞技术。 1976年，法国首次用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精，1978年日本用固定化枯草杆菌生产淀粉酶，开始了用固定化细胞生产酶的先例。 1982年，日本首次研究用固定化原生质体生产谷氨酸，取得进展。固定化原生质体由于解除了细胞壁的障碍，更有利于胞内物质的分泌，这为胞内酶生产技术路线的变革提供了新的方向。,7.3固定化微生物细胞、原生质体发酵产酶,固定化细胞发酵产酶的特点 提高产酶率 可反复使用或连续使用较长时间 基因工程菌的质粒稳定，不易丢失 发酵稳定性好 缩短发酵周期，提高设备利用率 产品易分离纯化 适用于胞外酶等胞外产物的生产,工艺条件及其控制 固定化酶的预培养 溶解氧的供给 琼脂不利于氧气扩散，尽量不用或少用 在固定化载体凝胶中添加富集氧气或利于氧传递的物质 过氧化氢酶与细胞共固定，另外过氧化氢以供氧 降低培养基浓度和黏度，有利于氧气的传递 温度的控制 培养基组分的控制,固定化原生质体特点 变胞内产物为胞外产物 提高产酶率 稳定性较好 易于分离纯化 工艺条件及其控制 渗透压的控制 防止细胞壁再生 保证原生质体浓度,固定化酶操作的注意事项,必须注意维持酶的构象，特别是活性中心的构象 酶与载体必须有一定的结合程度 固定化应有利于自动化、机械化操作 固定化酶应有最小的空间位阻 固定化酶应有最大的稳定性 固定化酶的成本适中,7.4 酶固定化技术,活性中心：保护酶的催化作用，并使酶的活性中心的氨基酸基团固有的高级结构不受到损害，在制备固定化酶时，需要在非常严密的条件下进行。 功能基团：如游离的氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基等，当这些功能基团位于酶的活性中心时，要求不参与酶的固定化结合 酶的高级结构：要避免用高温、强酸、强碱等处理，而且有机溶剂、高浓度的盐也会使酶变性、失活，因此，操作应尽量在非常温和的条件下进行。,利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上，而使酶固定化的方法。,1、吸附法,常用的固体吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石等。 优点：操作简便，条件温和，不会引起酶变性失活，载体廉价易得，而且可反复使用。 缺点：由于靠物理吸附作用，结合力较弱，酶与载体结合不牢固而容易脱落，所以使用受到一定的限制。,将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法。,2、包埋法,包埋法使用的多孔载体主要有：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺、光交联树脂、聚酰胺、火棉胶等。,根据载体材料和方法的不同，可分为： 凝胶包埋法：将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定形状的固定化酶或固定化含酶菌体。 半透膜包埋法（微囊包埋法）：将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。常用于制备固定化酶的半透膜有聚酰胺膜、火棉胶膜等,首先被采用包埋法的是： 固定化胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 淀粉酶 Enzyme+N,N-甲叉双丙烯酰胺，丙烯酰胺，引发剂,海藻酸钙包埋法装置,将水溶性的海藻酸钠配成水溶液，并把酶或细胞分散在其中，然后将其滴入凝固浴中（常用CaCl2 溶液），使海藻酸钠中的Na+，部分被Ca2+所取代而形成由多价离子交联的离子网络凝胶。,颗粒大小可实时监控,脂质体包裹,3、结合法 选择适宜的载体，使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法。,根据酶与载体结合的化学键不同，可分为： 离子键结合法：通过离子键使酶与载体结合的固定化方法称为离子键结合法。离子键结合法所使用的载体是某些不溶于水的离子交换剂。常用的有DEAE-纤维素、TEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。 共价键结合法：通过共价键将酶与载体结合的固定化方法称为共价键结合法。共价键结合法所采用的载体主要有：纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳质、氨基酸共聚物、甲基丙稀醇共聚物等。,优点：条件温和，操作简便，催化效率损失较少 缺点：结合力弱，结合不牢固，pH或离子条件改变酶易脱落,重氮法,叠氮法,酯化法,第一个离子结合法固定化酶： DEAE-Cellulose 固定化过氧化氢酶 第一个工业化的固定化酶： DEAE-Sephadex A-50 固定化氨基酰化酶,优点 结合牢固，不脱落 可连续使用较长时间 缺点 载体活化操作复杂 共价键结合会影响酶空间构象而影响活性,借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构的固定化酶的方法。,常用的双功能试剂有戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等。其中应用最广泛的是戊二醛。,4、交联法,戊二醛有两个醛基，这两个醛基都可与酶或蛋白质的游离氨基反应，形成席夫（Schiff）碱，而使酶或菌体蛋白交联，制成固定化酶或固定化菌体。 优点:交联法制备的固定化酶或固定化菌体结合牢固，可以长时间使用。 缺点:交联反应条件较激烈，酶分子的多个基团被交联，致使酶活力损失较大，而且制备成的固定化酶或固定化菌体的颗粒较小，给使用带来不便。,可将交联法与吸附法或包埋法 联合使用，以取长补短。,酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联 酶分子；（a）酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相互交联成水不溶性的固定化酶；（b）酶分子被偶联到水不溶性载体上形成水不溶性的固定化酶,7.5固定化酶的特性,固定化酶的形式多样，依不同用途有颗粒、线条、薄膜和酶管等形状。其中颗粒占绝大多数，它和线条主要用于工业发酵生产，如装成酶柱用于连续生产，或在反应器中进行批式搅拌反应；薄膜主要用于酶电极，应用于分析化学；酶管机械强度较大，亦宜用于工业生产。,一、固定化酶的形状,二、固定化酶的性质,酶在水溶液中以自由的游离状态存在，但是固定后酶分子便从游离的状态变为牢固地结合于载体的状态，其结果往往引起酶的性质的改变。为此，在固定化酶的应用过程中，必须了解固定化酶的性质与游离酶之间的差别，并对操作条件加以适当调整。 由于固定化的方法不同，固定化酶的活力和性质也有所不同。,三、酶活力,固定化酶的活力在多数情况下比天然酶的活力低，其原因可能是： 酶活性中心的重要氨基酸残基与水不溶性载体相结合； 当酶与载体结合时，它的高级结构发生了变化，其构象的改变导致了酶与底物结合能力或催化底物转化能力的改变； 酶被固定化后，虽不失活，但酶与底物间的相互作用受到空间位阻的影响。,也有在个别情况下，酶经固定化后其活力升高， 可能是由于固定化后酶的抗抑能力提高 使得它反而比游离酶活力高。,四、固定化酶的稳定性,游离酶的一个突出缺点是稳定性差，而固定化酶的稳定性一般都比游离酶提高得多，这对酶的应用是非常有利的。其稳定性增强主要表现在如下几个方面： （1）操作稳定性 酶的固定化方法不同，所得的固定化酶的操作稳定性亦有差异。固定化酶在操作中可以长时间保留活力，一般情况下，半衰期在一个月以上，即有工业应用价值。,（2）贮藏稳定性 固定化可延长酶的贮藏有效期。但长期贮藏，活力也不免下降，最好能立即使用。如果贮藏条件比较好，亦可较长时间保持活力。例如，固定化胰蛋白酶，在0.0025mol/L磷酸缓冲液中，于20保存数月，活力尚不损失。 （3）热稳定性 热稳定性对工业应用非常重要。大多数酶在固定化之后，其热稳定性都有所提高，但也有一些酶的耐热性反而下降。一般采用吸附法来进行酶的固定化时，有时会导致酶热稳定性的降低。,（4）对蛋白酶的稳定性 酶经固定化后，其对蛋白酶的抵抗力提高。这可能是因为蛋白酶是大分子，由于受到空间位阻的影响，不能有效接触固定化酶。例如，千畑一郎发现，用尼龙或聚脲膜包埋，或用聚丙烯酰胺凝胶包埋的固定化天门冬酰胺酶，对蛋白酶极为稳定，而在同一条件下，游离酶几乎全部失活。另外固定化后酶对有机试剂和酶抑制剂的耐受性也得到了提高。,（5）酸碱稳定性 多数固定化酶的酸碱稳定性高于游离酶，稳定pH范围变宽。极少数酶固定化后稳定性下降，可能是由于固定化过程使酶活性构象的敏感区受到牵连而导致的。,五、固定化酶的反应特性,固定化酶的反应特性，例如，底物特异性、酶反应的最适pH、酶反应的最适温度、动力学常数、最大反应速度等均与游离酶有所不同。,（1）底物特异性 固定化酶的底物特异性与底物分子量的大小有一定关系。一般来说，当酶的底物为小分子化合物时，固定化酶的底物特异性大多数情况下不发生变化。例如，氨基酰化酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶等，固定化前后的底物特异性没有变化；,（2）反应的最适pH 酶被固定后，其最适pH和pH曲线常会发生偏移，原因可能有以下三个方面：一是酶本身电荷在固定化前后发生变化；二是由于载体电荷性质的影响致使固定化酶分子内外扩散层的氢离子浓度产生差异；三是由于酶催化反应产物导致固定化酶分子内部形成带电荷微环境。,（3）反应的最适温度 固定化酶的最适反应温度多数较游离酶高，如色氨酸酶经共价结合后最适温度比固定前提高515，但也有不变甚至降低的。固定化酶的作用最适温度会受固定化方法以及固定化载体的影响。,（4）米氏常数 米氏常数Km反映了酶与底物的亲和力。酶经固定化后，酶蛋白分子的高级结构的变化以及载体电荷的影响可导致底物和酶的亲合力的变化。使用载体结合法制成的固定化酶Km有时变动的原因，主要是由于载体与底物间的静电相互作用的缘故。 （5）最大反应速度 固定化酶的最大反应速度与游离酶大多数是相同的。有些酶的最大反应速度会因固定化方法的不同而有所差异。,Aminoacylase 氨 基 酰 化 酶,7.6 固定化酶的应用,世界上第一种工业化生产的固定化酶。1969年，日本田边制药公司将从米曲霉中提取分离得到的氨基酰化酶，用DEAE-葡聚糖凝胶为载体通过离子键结合法制成固定化酶，将L-乙酰氨基酸水解生成L-氨基酸，用来拆分DL-乙酰氨基酸，连续生产L-氨基酸。剩余的D-乙酰氨基酸经过消旋化，生成DL-乙酰氨基酸，再进行拆分。生产成本仅为用游离酶生产成本的60左右。,储 罐,反应产物,消旋反应器,固定化酶柱子,晶体 L-Ala,L-Ala A-D-Ala,A-L-Ala A-D-Ala,高果糖浆的生产,世界上生产规模最大的一种固定化酶。将培养好的含葡萄糖异构酶的放线菌细胞用6065热处理15min，该酶就固定在菌体上，制成固定化酶，催化葡萄糖异构化生成果糖，用于连续生产果葡糖浆。,青霉素酰化酶转化流程图,酶传感器,酶传感器是由固定化酶与传感元件两部分组成的，其中酶是与适当的载体结合形成的不溶于水的固定化酶膜。 最常用的